Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ТФКП.pdf
Скачиваний:
191
Добавлен:
21.05.2015
Размер:
760.36 Кб
Скачать

u(x, y)

= −

2xy

 

y

 

 

 

(x2 + y2 )2

v(x, y)

 

 

2xy

 

=

 

 

x

(x2 + y2 )2

 

 

u(x, y) = − v(x, y).

y x

Условия выполнены. Функция f (z)= 1z является дифференци-

руемой (z ≠ 0).

§ 5. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ФКП

Введем понятие аналитической функции.

Функция f (z) однозначная и дифференцируемая в каждой точ-

ке области D называется аналитической (иначе, регулярной или голоморфной) в этой области.

Функция f (z) называется аналитической в конечной точке z ,

если она является аналитической в некоторой окрестности точки z . Точки плоскости z , в которых функция f (z) не является анали-

тической, называются особыми точками этой функции.

Примеры

w = ez – аналитическая во всей плоскости; w = z – нигде не аналитична.

Убедиться в этом предоставляем читателю.

Дифференциалом df (z) аналитической функции f (z) в конеч-

ной точке z называется главная линейная по отношению к z часть приращения w этой функции:

df (z)= f (z)dz.

Выясним теперь, любая ли функция двух переменных x и y

может служить действительной или мнимой частью некоторой аналитической функции. Пусть дана функция f (z)= u(x, y)+iv(x, y)

19

аналитическая в некоторой области D. Следовательно, везде в D выполнены условия Коши–Римана:

u

=

v

;

u

= −

v .

x

 

y

 

y

 

x

Дифференцируем эти равенства соответственно по х и по у:

 

2u

=

2v

;

 

2u

= −

2v

,

 

 

x2

yx

 

y2

xy

 

 

 

 

 

 

 

 

так как

 

 

 

 

2v

=

2v

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xy

yx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

то

2u

= −

2u

 

 

и

2u

+

2u

= 0 .

x2

y2

 

 

x2

y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично получаем, что

2v + 2v = 0. x2 y2

Видим, что функции u и v должны удовлетворять одному и тому же дифференциальному уравнению с частными производными второго порядка, называемому уравнением Лапласа:

u = 2u + 2u = 0. x2 y2

Функция, удовлетворяющая уравнению Лапласа, называется

гармонической функцией. Из изложенного следует, что действи-

тельная и мнимая части аналитической функции являются гармо-

ническими функциями.

Две гармонические функции, удовлетворяющие условиям Коши– Римана, называются взаимно сопряженными.

Пусть u(x, y) – гармоническая функция. Построим аналитическую функцию f (z) = u(x, y) +iv(x, y) .

20

На основании условий Коши–Римана

u

= v

. Отсюда v = udy (x).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

y

 

x

 

v

 

u

 

 

u

 

 

 

u

 

Т.к.

x

= −

y

, то

 

 

x

dy + ϕ'(x) = −

y

. Тогда ϕ'(x) = g(x)

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

и ϕ(x) = g(x)dx +C .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример

 

 

 

 

Построить

аналитическую

функцию,

для

которой функция

u(x, y) = x2 y2 + 2x является действительной частью (в том, что функция u(x, y) является гармонической функцией, легко убедиться проверкой).

Решение. В силу условий Коши–Римана имеем u

= v = 2x + 2 .

 

 

 

x

y

Интегрируя это равенство по

y ,

получим v(x, y)= (2x + 2)dy =

= 2xy + 2y + ϕ(x). Из равенства v

= −

u

получаем v = 2y '(x) = 2y.

x

 

y

x

 

Отсюда ϕ'(x)= 0 и ϕ(x) = C , где С – произвольная постоянная.

Тогда гармоническая функция, сопряженная с данной, будет иметь вид

v(x, y)= 2xy + 2y +C.

Искомая аналитическая функция имеет вид

f (z) = u(x, y)+ iv(x, y)= x2 y2 + 2x + i(2xy + 2y + C)=

 

= (x2 + 2ixy y2 )+ (2x + 2yi)+ iC =

.

=(x + iy)2 + 2(x + iy)+ Ci = z2 + 2z + Ci.

§6. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ СМЫСЛ АРГУМЕНТА И МОДУЛЯ

ПРОИЗВОДНОЙ

 

Пусть функция w = f (z) аналитична в D, а z0 D ;

f '(z0 ) 0 .

Функция f (z) отображает точку z0 плоскости Z

в точку

w0 = f (z0 ) плоскости W (рис. 4).

 

21

Рис. 4

Через точку z0 проведем какую-нибудь кривую l , которая отобразится в кривую L плоскости W , проходящую через w0 . На кривой l возьмем произвольную точку Z = z0 + ∆z, которая отобразится в

точку W = w0 + ∆w.

Вводим в рассмотрение углы ϕ и Φ. По определению произ-

водной f (z0 )= lim

w .

z0

z

Одно комплексное равенство эквивалентно двум действительным:

 

f (z0 )

 

= lim

 

w

 

= k,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

 

z0

 

 

 

 

arg f (z0 )= lim arg

 

= lim (arg w arg z)= Φ −ϕ.

z0

z

 

z0

 

 

 

 

 

(12)

(13)

Отметим, что f '(z0 ) есть предел отношения бесконечно малого расстояния между отображенными точками w0 и W к бесконечно малому расстоянию между первоначальными точками z0 и Z . В силу аналитичности функции f (z) в точке z0 предел (12) не зависит от

стремления z к нулю, т.е. от выбора кривой l. Следовательно, предел (12) один и тот же во всех направлениях, выходящих из точ-

ки z0 . По этой причине f '(z0 ) можно рассматривать геометриче-

22

ски как коэффициент растяжения в точке z0 при отображении w = f (z) . При этом если f '(z0 ) >1, то в достаточно малой окрестности точки z0 расстояние между точками при отображении w = f (z) увеличивается и происходит собственно растяжение плоскости, если же f '(z0 ) <1 , то отображение приводит к сжатию.

Из (13) имеем: arg f '(z0 )= α = Ф − ϕ . Отсюда Ф = ϕ + arg f '(z0 ).

Значит, arg f '(z0 ) есть угол, на который нужно повернуть касательную к кривой l в точке z0 для того, чтобы получить направление касательной к кривой L в точке w0 .

В силу аналитичности f (z) в точке z0 угол поворота α один и тот же для всех кривых l, проходящих через z0 .

Следовательно, аналитическое отображение обладает свойством консерватизма (сохраняемости) углов во всех точках, где

f '(z0 ) 0 . И отображение w = f (z) обладает свойством постоян-

ства растяжения.

Отображение окрестности точки z0 на окрестность точки w0 , осуществляемое аналитической функцией w = f (z) с f '(z0 ) 0 , обладает в точке z0 свойством сохранения углов и постоянством

растяжений. Такое отображение называется конформным отобра-

жением в точке z0 .

23